[实用新型]凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置

说明书

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置的结构设计。

背景技术

拟人机器人手主要分为灵巧手和欠驱动手两种类型。灵巧手具有许多主动关节，具有复杂的驱动和控制系统，可以完成很多操作。近几十年来，灵巧手的研究得到了丰硕的成果，例如Utah/MIT手、Robonaut手、DLR/HIT II手等。但是由于灵巧手自由度多，并且手指在抓取不同形状的物体时没有自适应性，对驱动电源、传感、信息处理、控制算法等提出了很高的要求，装置复杂，成本昂贵。

所谓欠驱动手就是指用少量的电机控制较多的关节自由度。欠驱动手具有自动适应物体形状和尺寸的自适应抓取功能。对于高自由度的机器人手来说，减少电机的数量是非常有利的，可以大大减少对空间的需求和对动力控制的需求，而且未来的维护也大大减少，成本也大大降低。

有一类机器人手的实现方式是采用腱绳来实现的，以一个手指的单关节为例，腱绳依次穿过手指的多个指段和关节，腱绳的一端固接在手指的末端指段，只要拉动腱绳的另一端就可以实现手指末端关节的正向弯曲，如果前后采用两根腱绳就能够实现手指的末端关节的正向转动(抓取弯曲)和反向转动(恢复伸直)。当手指上的关节自由度的数量为p，腱绳的数量为2p+1，则该手指为完全驱动的手指；若腱绳数量为2p或更少时，该手指就是欠驱动手指，如中国发明专利CN102029610A就是一例采用2p根腱绳的欠驱动手指。

此外，还有采用腱绳和扭簧来实现的欠驱动手指，手指上有多个关节，仅用一根腱绳拉动关节转动，各关节均设有扭簧，有两种子类别：(1)利用腱绳拉动手指正向弯曲，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的恢复伸直，如中国发明专利CN101073520A；(2)利用腱绳拉动手指恢复伸直，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，如美国发明专利US2006/0129248A1。

已有的一种残疾人用的假手装置，如美国发明专利US2006/0129248A1，其手指采用了腱绳拉动手指恢复伸直，而利用设置在各手指关节轴上的扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，其手掌中有一个铰接的杠杆，所有手指的腱绳的一端均与该杠杆直接或间接的连接，利用人的肩部运动来拉动绳索，由绳索拉动杠杆，杠杆拉动手指腱绳，从而达到打开手指的效果，再利用人的肩部放松来实现绳索的松弛，通过杠杆实现手指腱绳的松弛，手指在扭簧的作用下闭合，从而依靠扭簧弹力抓住物体。该装置的不足之处为：

(1)该手缺少瞬间快速放松绳索的机构，难以用于机器人上实现快速抓取物体。瞬间快速放松绳索有利于提高抓取效率，对于快速运动的物体的抓取是非常必要的功能。该方案中绳索的拉动与放松依靠人的肩部运动这样的外力作用，人的肩部运动具有一种相对快速放松的特殊效果，离开了人的这一特殊效果则该装置达不到快速抓取的目的，如果仅仅简单地将人的外力更换为电机的动力，则电机也只能实现逐渐拉动和逐渐放松绳索的目的，达不到瞬间快速放松绳索的功能，因此，该装置不适合用作机器人手实现快速高效的抓取。

(2)该手缺少检测物体是否在抓取范围内或手掌附近的功能，影响了对快速运动物体的抓取时机的把握，难以自动抓取快速运动物体。该手依靠人的眼睛或其它感官去判断抓取物体的时机，并由人的大脑再通过肩部运动或其他部分的运动来放松绳索，因此，该手难以用于机器人上实现对快速运动物体在恰当时机抓取。

(3)该手的抓取空间有限，在同样的抓取空间下，手掌体积过大。该装置由于采用手掌中铰接的杠杆拉动，杠杆转动需要较大的手掌空间；当手掌空间较小时，杠杆活动范围小，手指张开角度小，难以获得较大的抓取空间，尤其是当手指关节数增多时需要的手掌空间更大。

已有的一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，如中国发明专利CN102357884A，其手指采用腱绳和扭簧实现欠驱动，其手掌中有一根主轴、一个具有不完全齿的第一齿轮和一个具有完全齿的第二齿轮，具有不完全齿的第一齿轮固接在主轴上，所有手指的腱绳的一端均固定缠绕在与主轴固接的绳轮上，利用电机带动第二齿轮，由第二齿轮带动具有不完全齿的第一齿轮，由第一齿轮带动主轴，由主轴带动绳轮，从而绕紧腱绳达到打开手指的效果，再由齿轮组解除啮合，使腱绳松弛，手指在扭簧的作用下闭合，从而依靠扭簧弹力抓住物体。该装置的不足之处为：